長江流域水資源生態(tài)足跡及其驅動因素

邵 駿，盧滿生，杜 濤，王政祥

(長江水利委員會水文局，武漢 430010)

1 研究背景

由生態(tài)足跡(Ecological Footprint)的基礎上發(fā)展而來的水資源生態(tài)足跡，由于概念直觀具體、操作性強、具有可比性等優(yōu)點，已經成為評估區(qū)域水資源狀況的重要指標，我國學者在水資源生態(tài)足跡的基本理論、方法、分析計算和預測等方面進行了不少探討。黃林楠等[1]、范曉秋[2]將水資源賬戶納入到生態(tài)足跡模型中，并將水資源賬戶分為生活用水足跡、生產用水足跡和生態(tài)需水足跡3個二級賬戶，較好地應用至江蘇省水資源可持續(xù)發(fā)展與利用的評價之中。李興正等[3]、陳冬冬等[4]計算了中國各省份水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力，分析了水資源供需平衡的空間分布。金昌盛等[5]、朱振亞等[6]測算了長江經濟帶水生態(tài)足跡，分析了各省區(qū)市水足跡演變規(guī)律及今后的發(fā)展趨勢。左其亭等[7]分析了黃河沿線省區(qū)水資源生態(tài)足跡的時空分布特征。李允潔等[8]對浙江省水資源生態(tài)足跡、水資源承載力和水資源動態(tài)變化進行了分析研究。

在研究過程中發(fā)現，傳統(tǒng)的水資源生態(tài)足跡模型中采用區(qū)域人均水資源總量來衡量水資源生態(tài)承載能力，由此導致水資源總量越大的地區(qū)，其水資源生態(tài)承載能力越大，這種方法對于類似長江流域這種南方豐水地區(qū)存在明顯的不足，也不適應水資源剛性約束的本質要求。“十四五”規(guī)劃明確提出，建立水資源剛性約束制度，概括而言就是以水定需、量水而行、因水制宜，堅持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產。這里的“水”不是指天然的水資源量，而是指分配的可供社會經濟發(fā)展利用的用水總量控制紅線。鑒于此，本文在傳統(tǒng)的水資源生態(tài)足跡模型基礎上，對原有模型參數的選取進行了改進，采用區(qū)域用水總量控制指標替代區(qū)域人均水資源總量，對長江流域主要省區(qū)市的水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力進行了計算，并基于對數平均迪氏指數分解法(Logarithmic Mean Divisia Index Method，LMDI法)分析了水資源生態(tài)足跡的驅動因子，為長江流域水資源承載能力的定量評價提供方法支撐。

2 水資源生態(tài)足跡概念及計算參數改進

水資源生態(tài)足跡是指人類生活生產及自然環(huán)境為維持自身發(fā)展和平衡所消耗的單位面積水資源量。水資源生態(tài)足跡包含水資源生態(tài)足跡、水資源生態(tài)承載力及水資源生態(tài)盈虧指數3個方面的內容[1-2]。水資源生態(tài)足跡表示水資源需求側，水資源生態(tài)承載力表示水資源供給側，水資源生態(tài)盈虧指數反映了兩者之間的平衡關系[1-2]。具體計算方法如下所述。

(1)水資源生態(tài)足跡計算方法。其表達式為

式中：EF為水資源生態(tài)足跡(hm2)；EFi為生活、生產、生態(tài)水資源足跡(m2)；N為人口數(萬人)；efi為人均生活、生產、生態(tài)水資源足跡(hm2)；γ為水資源全球均衡因子；Wi為人均耗水量(m3)；P為全球水資源平均產水模數(m3/hm2)。

(2)水資源生態(tài)承載力計算方法及參數改進。其表達式為

EC=N·ec=N(1-α)φγ(Q/P) 。(2)

式中：EC為水資源生態(tài)承載力(hm2)；ec為人均水資源生態(tài)承載力(hm2)；φ為水資源產量因子；α為維護生態(tài)環(huán)境需要預留的水資源量的比例。

對于Q，原有模型是指區(qū)域人均水資源總量[1-2]。對于南方豐水地區(qū)，天然的河川徑流量較大，人均水資源總量也較大，由此計算得到的水資源生態(tài)承載力并不能完全反映南方豐水地區(qū)實際情況。例如對于西藏自治區(qū)，其水資源總量和人均水資源量均位列全國省級行政區(qū)首位，若按照原有模型計算方法選取區(qū)域人均水資源總量來計算水資源生態(tài)承載力，西藏自治區(qū)水資源生態(tài)承載力必定位居全國首位。究其原因，主要是因為水資源總量反映的是天然水資源稟賦條件，并不等于能夠被利用、允許被利用的水資源量。因此，本文將此項用區(qū)域人均用水總量控制指標替換。

對于α，原有模型取值為0.6，指地區(qū)水資源開發(fā)需預留60%的水資源量用于維護生態(tài)環(huán)境。本文因采用用水總量控制指標替換水資源總量，α取值借鑒水利部水利水電規(guī)劃設計總院印發(fā)的《建立全國水資源承載能力監(jiān)測預警機制技術大綱》[9]對于超載狀況的判別條件，取值為10%，其含義為：對于水資源承載能力不超載地區(qū)，其用水總量上限不應大于用水總量控制指標的90%。

(3)水資源生態(tài)盈虧指數計算方法。其表達式為

EB=EC-EF=N(ec-ef) 。

(3)

式中EB為水資源生態(tài)盈虧指數(hm2)。EB>0表明區(qū)域水資源生態(tài)處于盈余狀態(tài)，尚有一定的承載空間；EB=0表明該區(qū)域水資源生態(tài)處于平衡狀態(tài)，承載力處于臨界值；EB<0表明該地區(qū)水資源生態(tài)處于赤字狀態(tài)，超出了區(qū)域承載能力。

3 對數平均迪氏指數分解法

為進一步分析長江流域水資源生態(tài)足跡的變化，評估其潛在的驅動或決定性因素是非常重要的。近年來因素分解法逐漸成為資源和環(huán)境領域的一種重要研究方法，它能夠提供一個完整的框架來分析各變量的影響程度。Ang等[10-11]通過對迪氏指數法進行優(yōu)化，將算法中的算術加權平均函數變?yōu)閷挡⑻岢隽薒MDI法，有效解決了分解后有殘余項和零值處理的問題。因此，本文采用LMDI法構建水資源生態(tài)足跡指數分解方法[6,12]：

(4)

Δefs+Δefi+Δefr+Δefp；

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

4 水資源生態(tài)足跡及驅動因素分析

4.1 研究區(qū)域及數據來源

長江流域面積約180萬km2，干流全長6 300余千米，自西向東流經青海、四川、西藏、云南、重慶、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、上海共11省(自治區(qū)、直轄市)注入東海，支流延展至貴州、甘肅、陜西、河南、浙江、廣西、廣東、福建共8個省(自治區(qū))。長江是我國第一大河流，是中華民族的母親河，也是中華民族發(fā)展的重要支撐。長江以全國18.8%的國土面積，生產了全國33%的糧食，養(yǎng)育了全國33%的人口，創(chuàng)造了全國34%的GDP。

對于很多省份并非全部區(qū)域屬于長江流域，本文所采用的水資源量、供用水量及社會經濟指標均為省級行政區(qū)套水資源一級區(qū)(長江流域，含太湖流域)數據，數據主要來源于《長江流域及西南諸河水資源公報》《太湖流域及東南諸河水資源公報》和《中國統(tǒng)計年鑒》等。由于廣東、福建在長江流域境內面積較小，因此本次研究暫不列入評價范圍。

4.2 水資源生態(tài)足跡

計算長江流域2003—2019年水資源生態(tài)足跡及生活、生產、生態(tài)用水足跡，成果見表1。長江流域水資源生態(tài)足跡年際變化不大，呈現出小幅增加的態(tài)勢。2003年長江流域水資源生態(tài)足跡為0.652 hm2/人，至2019年長江流域水資源生態(tài)足跡為0.735 hm2/人，較2003年增加0.083 hm2/人。水資源生態(tài)足跡的變化也反映了長江流域用水結構的變化。2003—2019年長江流域生活用水的水資源生態(tài)足跡呈現逐步增加的態(tài)勢，說明長江流域生活用水量也在逐漸增長。根據《長江流域及西南諸河水資源公報》資料統(tǒng)計，2003年長江流域生活用水量為151.1億m3，至2019年生活用水量增加至220.9億m3，年均增長比例為2.4%。生產用水中，第一產業(yè)、第二產業(yè)的水資源生態(tài)足跡呈現小幅震蕩上升的趨勢，分別在2013年、2011年達到峰值后逐步回落，時間節(jié)點與2011年國家施行最嚴格水資源管理制度時間相吻合，說明最嚴格水資源管理“三條紅線”“四項制度”實施后，長江流域農業(yè)和工業(yè)用水效率在不斷增加。第三產業(yè)和河道外生態(tài)環(huán)境用水的水資源生態(tài)足跡也呈現增加的態(tài)勢，尤其是第三產業(yè)用水的大幅增加反映了長江流域經濟結構中第三產業(yè)發(fā)展迅速。

表1 長江流域及生活、生產、生態(tài)用水水資源生態(tài)足跡Table 1 Ecological footprint of living,production,and ecological water uses in Yangtze River basin

為反映2003—2019年各省級行政區(qū)水資源生態(tài)足跡變化情況，將水資源生態(tài)足跡變化情況繪制成圖1。從圖1可見，2003年水資源生態(tài)足跡高值區(qū)主要分布在廣西、江蘇、浙江、上海等地區(qū)，低值區(qū)主要分布于青海、甘肅等西北內陸地區(qū)以及河南省，中西部地區(qū)處于中間值，水資源生態(tài)足跡的地區(qū)分布規(guī)律在一定程度上反映了區(qū)域GDP狀況。與2003年相比較，2006—2015年安徽、江西、湖北、河南等省級行政區(qū)有一定程度提高，浙江、廣西、云南、青海等省級行政區(qū)有一定程度減少。至2019年，長江流域內各省級行政區(qū)水資源生態(tài)足跡按從高到低的順序分別為：江蘇、廣西、安徽、西藏、江西、湖北、湖南、上海、陜西、浙江、四川、貴州、云南、重慶、河南、青海和甘肅。

圖1 2003—2019年各省級行政區(qū)水資源生態(tài)足跡變化情況示意圖Fig.1 Variation of ecological footprint of water resources in Yangtze River basin from 2003 to 2019

4.3 水資源生態(tài)承載力及盈虧分析

計算長江流域2003—2019年水資源生態(tài)承載力及水資源生態(tài)盈虧指數，成果見表2。2003—2019年長江流域水資源生態(tài)承載力及盈虧指數呈現出波動的態(tài)勢，但總體上看水資源均呈現盈余態(tài)勢。其中，2011年出現最小值，該年度長江流域水資源生態(tài)承載力為0.902 hm2/人、盈虧指數為0.157 hm2/人；2016年出現最大值，該年度長江流域水資源生態(tài)承載力為1.341 hm2/人、盈虧指數為0.603 hm2/人，水資源生態(tài)承載力及盈虧指數最大最小極值比分別為1.49和3.85。

表2 長江流域水資源生態(tài)承載力及水資源生態(tài)盈虧指數Table 2 Ecological carrying capacity and surplus index of water resources in Yangtze River basin

將2003—2019年各省級行政區(qū)水資源生態(tài)承載力情況繪制成圖2。由圖2可見，長江流域內各省級行政區(qū)水資源生態(tài)承載力呈現出巨大差異。從空間分布上來看，廣西、湖南、江西、安徽水資源生態(tài)承載力較大，浙江、上海、青海、甘肅水資源生態(tài)承載力較小。從時間尺度上來看，2003年廣西水資源生態(tài)承載力最高，達到5.093 hm2/人，安徽、江西、湖南次之，湖北、重慶、西藏、陜西、四川、貴州、江蘇、云南、河南依次遞減，低值區(qū)主要為甘肅、青海、江蘇、上海和浙江，均<0.2 hm2/人。至2019年，水資源生態(tài)承載力最高的地區(qū)仍為廣西，達到7.604 hm2/人。中間值地區(qū)發(fā)生較大變化，江西、湖南、安徽、西藏、貴州、四川、陜西、重慶、湖北、云南、江蘇依次遞減，其中江西水資源生態(tài)承載力有較大提高，湖北和安徽呈現一定程度的降低。2019年水資源生態(tài)承載力低值區(qū)主要為甘肅、青海、河南、上海和浙江，除甘肅為0.244 hm2/人外，其余4個省級行政區(qū)均<0.2 hm2/人。

圖2 2003—2019年各省級行政區(qū)水資源生態(tài)承載力變化情況示意圖Fig.2 Variation of ecological carrying capacity of water resources in Yangtze River basin from 2003 to 2019

同理，將2003—2019年各省級行政區(qū)水資源生態(tài)盈虧指數繪制成圖3。

圖3 2003—2019年各省級行政區(qū)水資源生態(tài)盈虧變化情況示意圖Fig.3 Variation of ecological surplus of water resources in Yangtze River basin from 2003 to 2019

由圖3可見，2003年長江流域內水資源生態(tài)赤字主要集中在青海和長三角地區(qū)，水資源生態(tài)赤字基本上與水資源生態(tài)承載力分布規(guī)律一致。2006—2019年，除青海和長三角地區(qū)外，甘肅、河南出現水資源生態(tài)赤字?？傮w上來看，2003—2019年水資源生態(tài)盈虧指數較大的地區(qū)基本上較為穩(wěn)定，主要為青海、長三角地區(qū)，以及甘肅、河南。究其原因，一方面是由于這些地區(qū)水資源自然稟賦相對較少，另一方面是由于水資源的消耗量過大導致承載力出現赤字。

4.4 驅動因素分析

為進一步分析影響長江流域水資源生態(tài)足跡變化的驅動因素，采用LMDI法對長江流域主要省級行政區(qū)結構、技術、經濟和人口因素進行分析，結果如圖4所示。影響長江流域水資源生態(tài)足跡的最主要驅動因子為經濟因素，人口因素和結構因素次之，技術因素對水資源生態(tài)足跡的影響呈現負值。上述分析表明，GDP的大幅度增長是水資源生態(tài)足跡增加的主要原因；人口增長、生活、生產、生態(tài)“三生”用水結構及其變化對水資源生態(tài)足跡的增加呈現正相關關系，但影響程度十分有限；技術因素對水資源生態(tài)足跡的增加起到抑制作用，通過技術手段提高單位GDP用水量，可以減少水資源生態(tài)足跡。

圖4 長江流域水資源生態(tài)足跡影響驅動因素構成Fig.4 Driving factors of ecological footprint of water resources in Yangtze River basin

繪制長江流域主要省級行政區(qū)水資源生態(tài)足跡影響驅動因素構成圖，如圖5所示。從圖5可知，影響各省級行政區(qū)水資源生態(tài)足跡的最主要驅動因子基本相同，均為經濟因素。對于排第二位的影響因素，不同省級行政區(qū)，在時間和地區(qū)上均有所不同。云南、江西、江蘇、上海等省(市)，人口因素影響大于結構因素。四川在2010年以前人口因素影響大于結構因素，2010年以后人口因素轉為負值，表明人口效應對人均水資源生態(tài)足跡表現為抑制作用，出現轉折的原因主要由于人口增長趨勢放緩，用水結構也產生一定改變。與四川類似，重慶、貴州、湖北、湖南、河南、廣西等省(區(qū)、市)均出現了人口效應與用水結構調整對水資源生態(tài)足跡的驅動效應改變的轉折。

圖5 長江流域主要省級行政區(qū)水資源生態(tài)足跡影響驅動因素構成Fig.5 Composition of driving factors of ecological footprint of water resources in major provinces and cities of the Yangtze River basin

5 結 論

針對水資源生態(tài)足跡評估模型中參數選取的不足，對水資源生態(tài)承載力計算方法及計算參數進行了改進。采用區(qū)域用水總量控制指標替代區(qū)域人均水資源總量，計算了長江流域主要省區(qū)市的水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力，并基于LMDI法分析了水資源生態(tài)足跡的驅動因子，得出了以下結論：

(1)水資源生態(tài)足跡的變化反映了長江流域用水結構的變化。第一產業(yè)、第二產業(yè)的水資源生態(tài)足跡分別在2013年、2011年達到峰值后逐步回落，時間節(jié)點與2011年國家施行最嚴格水資源管理制度時間相吻合，說明最嚴格水資源管理“三條紅線”

“四項制度”實施后，長江流域農業(yè)和工業(yè)用水效率在不斷增加。同時，水資源生態(tài)足跡的地區(qū)分布規(guī)律在一定程度上反映了區(qū)域GDP狀況，高值區(qū)主要分布在東部地區(qū)，低值區(qū)主要分布于西北內陸地區(qū)。

(2)長江流域2003—2019年水資源生態(tài)承載力總體上呈現盈余態(tài)勢，從空間分布上來看，水資源生態(tài)盈虧指數較大的地區(qū)較為穩(wěn)定，主要為西北內陸地區(qū)以及長三角地區(qū)，水資源生態(tài)赤字與水資源生態(tài)承載力分布規(guī)律一致。究其原因，一方面是由于這些地區(qū)水資源自然稟賦相對較少，另一方面是由于水資源的消耗量過大導致承載力出現赤字。

(3)影響長江流域水資源生態(tài)足跡的最主要驅動因子為經濟因素。對于不同省份，GDP不斷增長、人口增長趨勢放緩，在改變用水結構的同時也改變了水資源生態(tài)足跡的驅動效應。技術因素對水資源生態(tài)足跡的增加起到抑制作用，通過技術手段提高單位GDP用水量，可以減少水資源生態(tài)足跡。